Ansys AIM によるホイールボルトプリテンション解析

Application Brief

2017年9月

ホイールの離脱は深刻な問題です。リアホイールが離脱すると、車両はコントロールを失い横転する可能性が高くなります。また、多くの場合ホイールが車両から外れて空中に投げ出されるため、他の車両にとっても危険です。米国において、ホイール離脱件数が最も多かった1991年にはホイール離脱により7人が死亡しました。その際、米国国家運輸安全委員会(NTSB: United States National Transportation Safety Board)は問題を調査し、毎年約750～1,050件のホイール離脱が発生していると結論付けました。

負傷者が発生しないホイール離脱は多くの場合報告されないことやデータを集中的に管理しているところがないことから、この数字はおそらく実際よりも少ない数字でありホイール離脱の件数は正確に把握されていません。NTSBはホイール離脱の2つの主な原因の1つがホイールファスナーの緩みであると結論付けました。ボルト締結部を適切に設計することはホイールファスナーの緩みを防止し、ホイール離脱のリスクを削減できます。この解析事例では、ボルト締結ホイールアセンブリのAnsysAIMテンプレートを紹介します。設計エンジニアはテンプレートを用いて信頼性がより高く安全なボルト締結を実現できます。また、没入感の高いAIMのユーザー環境が、最適な設計を得るためにどのように役立つかを説明します。

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課題

ホイールボルトをラグナットで締め付けることにより、ボルトが伸張します。その結果生じるプリテンションまたは予荷重によって、「クランプ荷重」と呼ばれる圧縮力がホイールおよびブレーキディクに適用されます。プリテンションが増加するとクランプ荷重が増加し、プリテンションが高くなるとボルトの緩みへの抵抗が大きくなります。一方、テンションが大きすぎるとボルトは弾性範囲を超えて伸長し、永久伸びが発生してこの場合も故障につながります。

ボルトの締め付け順序も、締結部の実働荷重に対する耐久力に大きな影響を与えます。ホイールボルトプリテンションの複雑さに対応するには有限要素解析が必要ですが、設計チームでは容易に対応できず、これまでは有限要素解析(FEA: FiniteElement Analysis)の解析専任者による作業が一般的でした。仮に解析専任者が組織にいる場合でも、プロジェクトへの参画は調整が必要となり、大幅な遅延が発生する可能性があります。